基于CFD的管道流动局部水头损失系数的数值计算

本文利用FLUENT软件对几种常见模型管道在k-ε湍流情况下的流场、压力场进行了数值模拟,并根据数值模拟结果对突扩管的局部水头损失系数进行了修正。结果表明:对于突扩管在同一雷诺数下,随着管径比值(前程管径与后程管径之比D1/D2)的不断增大,局部水头损失及损失系数均减小;而随雷诺数的增大,突扩管流场中的局部水头损失系数逐渐增大。     

突扩管流动形态的数值模拟

针对油品在管道中运输时常常遇到边界突然扩大的流动状态。分别建立突扩管的物理模型、数学模型,并应用软件模拟不同雷诺数、不同突扩比下的管内流体的流动形态,得出了不同雷诺数下轴向压力的变化趋势以及局部水头损失随突扩比的影响规律。结果可以很好地反映突扩管流的基本特征。对于石油生产中常见的此类问题的研究具有重要的意义和作用。     

圆管突扩层流流动计算

对轴对称圆管突扩层流流动进行了系统的数值模拟研究,关联出了精确的关于回流长度和回汉强度的计算式,给出了最大回流速度、流动再发展长度的计算式,并指出流动的再发展长度与突扩经无关,而与雷诺数呈线性增长关系,提出了分流线和零轴向速度线的概念,并从物理意义上给予解释,分析了它们与雷诺数和突扩比的关系,研究表明,当以对应的回汉区长度作为轴向距离的长度度量单位时,轴线速度衰减规律与来流雷诺数无关。     

突扩断面流道压力损失分析

突扩断面流道是各类液压元件的基本结构形式,流体流经突扩断面流道时将产生压力损失,现有设计资料往往将这类压力损失视为与雷诺数(Re)无关的常值。采用理论分析方法,将流体流经突扩断面的总压力损失系数分解为近似理论值、与突扩断面对上游流速扰动对应的压力损失系数、与上游流道实际壁面摩擦对应的压力损失系数、与下游流道实际壁面摩擦对应的压力损失系数以及与突扩断面两侧压差对应的压力损失系数等5个组成部分;采用CFD模拟方法,研究了Re对总压力损失系数的影响规律。结果表明,存在临界雷诺数Re_(cr),当实际Re低于Re_(cr)时,总压力损失系数不再是一常值而随Re反比变化;在低Re时,与突扩断面两侧压差对应的压力损失系数是总压力损失系数的主要成分;而在高Re时,近似理论值及与下游流道实际壁面摩擦对应的压力损失系数是总压力损失系数的主要成分。提出的理论分析方法及数值模拟结果可为各类液压元件中过液孔道的结构优化奠定有益基础。     

扩缩通道内流动和换热非线性特性的数值模拟

对扩缩通道内流动与换热进行了数值模拟并探讨了其中的非线性特性.通过对不同突扩比ER、不同长宽比AR及不同雷诺数Re下通道内流场和温度场进行分析,给出在一定工况下对称通道内流体的流动和换热会出现偏斜等非线性现象的情况.数值模拟结果表明,存在临界雷诺数Rec使流体流动和换热形态发生转变,当Re超过Rec时,流体流动和换热不仅有对称解,还有非对称解;当Re继续增大时,流体流动和换热出现振荡.通道的几何尺寸及后缩段(表现为ER及AR)都对Rec产生影响.分析结果表明,当Re超过临界雷诺数Rec时,同一截面处上下壁面的局部努塞尔数Nu也由对称向非对称转变,上下壁面出现最大局部Nu的位置也不同.     

平面突扩管瞬态流动的有限元模拟

用有限元方法对不可压缩粘性流体在平面突扩管流中的瞬态流动进行数值模拟，给出了不同突扩比、不同时刻、不同雷诺数下，平面突扩管流物流线图谱和速度矢量图，对于分析突然扩大管流及其它复杂管道处涡旋的形成及能量损失的产生具有一定的参考价值。     

不同隙宽条件下L形裂隙水头损失试验

根据室内模拟试验,研究了水流流经L形裂隙时水头损失随裂隙宽度、裂隙中水流流速变化的规律。研究结果表明：水流流经L形裂隙的水头损失随隙宽的增大而增大,与水流流速之间呈二次函数关系;综合分析不同隙宽条件下L形裂隙水头损失与流速之间的二次函数关系,显示此函数关系的二次项系数与隙宽之间呈线性关系,一次项系数与隙宽之间呈二次方关系,最终得到L形裂隙水头损失与隙宽及流速之间的经验公式。     

幂律非牛顿流体流动的有限体积算法

以幂律非牛顿流体为研究对象,针对其表观黏度随剪切速率变化且计算过程有别于牛顿流体的特殊困难,提出了一种高精度格式的有限体积计算方法。对其中应力计算时可能出现的"零障碍"和"无限大障碍"奇点问题,采用限定表观黏度数值变化范围的方法以防止迭代计算过程中出现除零和除无穷问题,并给出了完整的计算方法。计算了幂律流体在圆管和突扩圆管中的层流流动,验证了该计算方法的有效性。并分析了幂律流体的流动指数对圆管和突扩圆管中层流流动的影响。     

输电塔钢管构件涡激振动数值模拟

用数值模拟方法对钢管构件涡激振动现象进行研究,分别进行了静止圆管绕流数值模拟以及弹簧支撑单自由度圆管绕流数值模拟.结果表明:静止圆管计算工况雷诺数介于20 000~35 000之间,升力系数幅值以及阻力系数均值的平均值分别为1.427和1.273,与前人试验结果较为吻合;涡街形成的决定性因素是物体后部两个分离剪切层的相互作用;发生涡激振动时,顺风向响应要远小于横风向响应;基于单自由度模型进行动网格分析,给出了最大位移比公式以及线性插值关系式,将二维数值模拟应用于三维钢管构件的涡振疲劳分析.     

管道突扩处水头损失系数实验研究

管道突扩处水头损失系数理论计算公式因静水压强假设而具有局限性.文中根据实验分析得出该系数与突扩前断面流速有关,但二者之间规律复杂,在实际使用管道时,应通过实验确定该系数在不同流量下的值.     

离心压缩机模型级尺寸缩放对性能影响数值研究

选用流量系数分别为0.015 0、0.033 5、0.068 0和0.120 0的4组离心压缩机模型级为研究对象,几何缩放比尺分别选取0.78、1.00、1.89和2.67.采用数值方法对这些模型级进行计算,进而获得每个模型级的气动性能.同时,对流量系数为0.033 5和0.068 0两个模型级的计算结果与实验值进行对比,对计算精度进行了评价.综合4组模型级的计算结果,可以发现:几何相似放大后的模型级由于雷诺数增大,边界层流动改善,因而其气动性能比基准级提高了.相反,几何相似缩小后的模型级由于雷诺数减小,边界层相对变厚,黏性损失增加,因而其多变效率比大尺寸模型级降低了,但缩放后的模型级能头系数变化不大.在研究的流量系数范围内,流量系数越小,尺寸缩放对多变效率的影响就越显著.模型级尺寸放大后,其最大效率所对应的流量系数将向增大的方向偏移,比尺越大偏移越大,但偏移量较小.     

芯片冷却过程旋转冲击射流换热特性的数值模拟

采用数值仿真的方法模拟了旋转冲击射流的换热过程,分析了换热过程中喷射孔径、喷射间距、旋转角速度以及流场分布特性对射流冲击换热的表面传热系数与平均换热效果的影响。结果表明,3mm孔径的平均换热效果要强于相同Re数下6mm孔径,而且,大孔径射流时的平均传热系数受角速度的影响要比小孔径时大。角速度的增加使换热板上最大换热系数减小且由驻点向外偏移,加入旋转可以使板上的换热更加均匀,表现为角速度越高,平均表面传热系数曲线越平坦。以上规律为旋转冲击射流在高密度电子芯片散热中的应用提供了理论参考。     

文丘里管流动特性的数值模拟

利用Fluent软件模拟文丘里管在较大雷诺数范围(200～70 000)内的流动情况,给出实际流量与测压管水头差的关系曲线,并与实验结果进行比较.研究结果表明:当雷诺数在2 000～20 000之间时,Fluent的模拟结果与实验结果符合很好.对于实验未给出的雷诺数范围(200～2 000和20 000～70 000)内实际流量和测压管水头差的关系,分别进行计算整理和回归分析,给出其函数关系式.分析喉管相对真空压强与入口速度的关系,得出文丘里管在大小尺寸不变情况下二者之间的关系曲线,并给出文丘里管内部流场分布情况.     

底部设置隔壁式岔管的调压室水力特性三维数值分析

为了研究底部设置隔壁式岔管的调压室复杂水力特性,通过构建底部设置隔壁式岔管的调压室结构的三维数值计算模型,分析了典型流态下调压室的水流流态特性、分流/合流流态下局部水头损失系数与分流比的关系、正常运行工况下水流流经调压室底部的水头损失系数和水头损失特性,并推导得到了水流全部流进/流出调压室的水头损失系数和流量系数转换公...     

螺纹槽管传热和流体阻力的数值模拟

对螺纹槽管在恒壁温和雷诺数(Re)5000～35000范围内空气的换热性能和压降进行了数值研究.分别对25种不同几何参数的螺纹槽换热管换热性能和压降与同参数的光滑管进行了对比分析.结果表明,螺纹槽管的换热性能显著强于光滑管,同时压降也不同程度地高于光滑管;其中螺纹槽深度对换热性能和压降的影响大于螺纹槽间距,二者存在相互影响,呈现了最优区间原则.最大平均努赛尔数出现在Re=5000,几何参数螺纹深度/内径(dl/D)=0.25,螺纹间距/内径(pl/D)=0.5时,是光滑管的3.1倍.最大综合换热性能指标(performance evaluation criteria,PEC)为1.404,出现在Re=5000,几何参数dl/D=0.15,pl/D=1时,此时螺纹槽管的换热能力是普通光滑管的1.8倍,摩擦因子是普通光滑管的2.25倍.从整体雷诺数范围考虑,最佳几何参数为dl/D为0.14～0.18,pl/D为0.8～1.2.     

具有截面自然对流通道内湍流换热的直接数值模拟

对矩形管道内具有稳定自然对流的充分发展湍流换热进行了直接数值模拟，湍流雷诺数如和普朗特数Pr分别为400和0．71，格拉晓夫数Gr为10^4、10^5、10^6和10^7．分析了管道截面上雷诺应力对主流平均速度、截面流速以及截面平均温度的影响．结果表明：在Gr较小时，湍流雷诺应力的作用使截面的平均换热系数增大；在Gr为10^7时，浮升力的作用增强，但湍流产生的雷诺应力使自然对流的作用减弱．因此，与层流相比，在Gr相同时，湍流的管道截面平均换热系数反而减小．     

低磁雷诺数不可压缩磁流体湍流的非线性涡黏性k-ω封闭模型

在低磁雷诺数近似下,通过逐项模化湍动能输运方程的磁流体源项,提出一个适于任意的磁场布置形式的非线性涡黏性的磁流体湍流k-ω模型.在该模型中,使用Kenjeres-Hanjalic模型和Song的非线性涡黏性模型分别模化脉动电场-速度相关量及各向异性的雷诺正应力,并采用Wilcox低雷诺数k-ω模型对层流化进行估计.通过与直接数值模拟结果和实验结果比较,表明本文模型给出的速度型误差小于5%,摩擦阻力系数误差小于10%,能够满足工程需要.     

二维环空管道后台阶突扩流动特性数值模拟分析

环空管道后台阶突扩流动是空气正循环钻井过程中十分重要的关键部分,直接决定了钻探岩屑是否能够顺利上返地面.该模型中对再附着过程的演变进行了大涡模拟(LES).指出在层流状态下主回流区长度随雷诺数Re的增加而增加;过渡流状态时出现内壁二次回流区,角部二次回流区和外壁三次回流区;湍流状态时,随着角部二次回流和外壁三次回流的消失,外管内壁和内管外壁处出现大尺度涡;得出了台阶上游和下游较远处流场层流时为抛物线分布,湍流时近似为对数分布.在此基础上进一步研究了湍流情况下流场中大尺度涡结构的瞬时发展和演变过程,以期实现对湍流的有效控制,并为进一步研究气体钻井环空管道内颗粒和大涡的相互作用规律奠定基础.